某高等?？茖W校教學科研樓加層設計
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作者: 袁學杰
摘 要：介紹高層建筑加層采用鋼結構加固設計與施工的體會。
關鍵詞： 加層；外包鋼加固；節點處理。
中圖分類號：TU312
文獻標識碼：B
文章編號：1008-0422（2006）01-0100-02
1工程概況
工程建于某?？茖W校校園內，大樓原建筑面積24800m2，主體建筑地上13層，其中五層裙房，房屋總高度53.37m。框架抗震墻結構，抗震設防烈度為6o，其抗震等級：抗震墻三級；框架四級。
2004年9月破土動工，當主體結構修建至第三層時業主由于發展的需要，提出增加一層裙房及四層標準層的要求。大樓設計建筑面積33100m2，主體建筑地上18層，其中第一層層高5.40m，第二層層高4.50m，第三至六層層高均為4.20m，第七至十八層為標準層，層高均為3.60m，房屋總高度66.57 m（電梯間頂）。此時房屋總高度＞60.00m，其抗震設防等級為：抗震墻三級；框架三級。
2結構分析和現場情況調查
2.1地基與基礎
根據本工程的“巖土工程詳細勘察報告”，該工程場地為開挖整平，場地層為唯一的粘土，下伏基巖為灰巖且大部分地段已裸露，該灰巖層分布穩定連續、厚度大，其地基承載力特征值為6000Kpa，是非常理想的天然地基。
原基礎設計采用鋼筋混凝土獨立基礎和混凝土墻下鋼筋混凝土條形基礎，基礎頂部與底層人防結構400厚的鋼筋混凝土底板（雙層雙向鋼筋網）整體相連。經加層后的荷載作承載力的驗算，其承載能力能夠滿足設計要求，地基基礎部分不需作加固增強處理。
2.2框架柱及抗震墻
加層后已完工程中主樓部分的框架柱承載能力及抗震墻端部的局部承載能力不能滿足設計要求，且框架柱的軸壓比超限值較大。對這部分的框架柱和抗震墻應作加固處理。還未施工的部分按加層設計后的施工圖施工。
2.3已施工完畢的樓面梁板結構能夠滿足設計要求，不需作加固增強處理。
2.4采用回彈法普查與鉆心法抽查相結合的檢測方法，對已施工完畢的框架柱和抗震墻的混凝土強度進行檢測，其混凝土強度均≥C40，滿足原設計要求。檢查鋼筋直徑、數量符合設計要求。
3加固方案的選擇
根據盡量不增加結構總荷載，盡量不減小使用面積，和施工方便可靠的原則，結合工程的實際情況，選擇如下加固方案：采用外包鋼加固框架柱、采用增大截面法加固抗震墻。
3.1外包鋼加固柱設計計算中應用的公式及詳圖設計
3.1.1 截面剛度
外包鋼加固柱的截面剛度：EI=EcIc＋EaAaα2
Ec，Ic 分別為原柱的混凝土彈性模量和截面慣性矩；Ea為加固型鋼的彈性模量；Aa為加固柱一側外包型鋼的面積；α為受拉與受壓側型鋼截面形心間的距離。
3.1.2軸心受壓柱的承載力
N≤φ（fcAc＋fy'As'＋0.9fa'Aa'）
φ為柱的穩定系數；0.9為加固角鋼與原柱協同工作時增加角鋼的強度折減系數；fa'，Aa'分別為加固角鋼的抗壓強度設計值和截面面積。
采用外包鋼加固時，型鋼粘結于原柱，使原柱的橫向變形受到型鋼骨架的約束。同時，混凝土的橫向變形又對型鋼產生側向擠壓，使外包型鋼處于壓彎狀態，導致型鋼抗壓承載力的降低；原柱混凝土已基本完成收縮，后加的外包型鋼存在著應力滯后的現象，影響型鋼作用的充分發揮。因此，濕式外包鋼加固柱的正截面承載力可以按整截面計算，但對外包型鋼的設計強度應乘以折減系數。《混凝土加固技術規范》規定：外包角鋼的折減系數為0.9。
由于濕式外包鋼加固中的后澆層（混凝土或砂漿）較薄，與原柱間的粘結受到削弱，在極限狀態下后澆層極有可能先剝落。因此，在加固設計計算中忽略后澆層的作用。
3.1.3外力分配
加固柱的軸力按受壓剛度分配，彎矩按受彎剛度分配，從而可得到外包鋼構架承受的軸力Na1及彎矩Ma為
Na1=｛EaAa/（EaAa＋αEcAc）｝×N
Ma=｛EaIa/（EaIa＋αEcIc）｝×M
原柱承受的軸力Nc及彎矩Mc為
Nc=N－Na
Mc=M－Ma
3.1.4軸壓比的控制
軸壓比是影響框架柱破壞形態和延性的一個重要參數，抗震設計規范中作了嚴格的限制。本工程設計中柱軸壓比的限值為0.9。 為滿足框架柱軸壓比的限值，外包鋼構架承受的軸力Na2為：
Na2=N－0.9×fc×a×b
在高層建筑結構中采用外包鋼加固框架柱的設計，不能忽視抗震設計規范控制框架柱軸壓比的意義。因此在本工程設計計算外包鋼構架時，其軸向壓力的取值以Na2為主，即：在滿足原框架柱軸壓比限值的原則下來設計計算外包鋼構架。再用 Na1進行強度復核，是否滿足承載力強度要求。
3.1.5本工程的外包鋼加固框架柱的設計計算中，采用了中國建筑科學研究院結構所的“混凝土結構加固計算軟件：CSP”，進行設計計算和驗算。
3.1.6加固柱的詳圖設計:
① 角鋼之間用綴板焊接連接，角鋼與混凝土之間灌注GS建筑結構灌縫膠。見圖1。
②基礎及柱頂的詳圖設計分別見圖2、圖3。
3.1.7柱的表面粉刷采用水泥砂漿粉刷，其厚度應滿足防火要求。
3.2采用單面鋼筋網混凝土夾板墻加固抗震墻，增加的墻板厚為100，￠10＠200雙向鋼筋焊接于M8＠800×800的錨栓上，錨栓采用植筋的方式，用JGN建筑結構粘合劑植于原抗震墻中。為了減少鉆孔鑿洞的工作量，避免對原結構造成不必要的損傷，鋼筋網混凝土夾板墻穿過樓板和墻角處的節點采用如下連接方法。見圖4。
4設計應注意的事項及施工工藝
4.1外包鋼加固結構節點區受力較復雜，外包型鋼兩端應有可靠的連接和錨固，保證力的有效傳遞。外包角鋼須通長、連續，在穿過各層樓板時不得斷開，并在節點區設置加強型鋼箍，加強型鋼箍截面面積應不小于角鋼截面面積。
焊接接頭宜留在高出樓板面500-1000mm處，便于施焊和檢查焊接質量。焊接接頭應錯開設置，不得留在同一斷面處。
4.2原柱面應整直打磨平整。外包角鋼和綴板應作除銹處理。
4.3外包角鋼貼附于原柱表面，用卡具固定，然后將綴板貼附于原柱表面與角鋼焊牢。外包角鋼及綴板與原柱表面均留出2-3mm的間隙，便于灌漿。
4.4用GS建筑結構灌縫膠將角鋼、綴板與原柱表面間的間隙填充灌滿。
4.5角鋼表面焊釘一層鋼絲網，以保證柱表面粉刷砂漿與角鋼表面粘結的質量。
5結語
5.1實踐證明，濕式外包鋼加固鋼筋混凝土柱作為一門成熟的技術，設計簡單，施工方便，同時不增加結構的荷載，不減少房屋的使用面積。在精心施工、確保質量的前提下，能保證加固后房屋結構的安全可靠。
5.2由于角鋼和綴板組成的鋼構架形成對鋼筋混凝土柱四周的側向約束，所產生的環箍效應既提高了鋼筋混凝土柱的承載力，也增加了柱的延性。
5.3采用GS建筑結構構灌縫膠作為填充材料，能保證型鋼與混凝土柱的粘接質量，達到二者共同工作的目的。
5.4考慮加固構件二次受力其應力滯后現象對加固效果的不利影響，及考慮規范對框架柱軸壓比限值的要求來控制設計外包型鋼構架。
5.5重視節點的構造處理在加固設計中的重要地位。節點的構造是結構設計的保證。加固后的構件應有良好的整體性、足夠的強度和適當的剛度，同時符合概念設計。
5.6應選擇質量合格的粘結材料，選擇專業化施工隊伍施工，以保證質量。施工完畢后，根據《混凝土結構加固技術規范》（CECS25：90）的有關要求進行檢測。
參考文獻：
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[2] 張立人. 建筑結構檢測、鑒定與加固. 武漢理工大學出版社. 2003年
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[4] 混凝土結構設計規范（GB50010-2002）
[5] 混凝土結構加固技術規范（CECS25：90）
[6] 卓尚木、季直倉. 鋼筋混凝土結構事故分析與加固. 中國建筑出版社. 1999年
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